Типы акустических систем

Основные разновидности акустического оформления колонок.
Акустика открытого, закрытого и изобарического типов, а также вариантов оформления: с лабиринтом, фазоинвертором, пассивным излучателем и т. д.

Акустические системы (колонки) – это самое последнее звено аудиосистемы, воспроизводящее звук путём преобразования электрического сигнала, поступающего с выхода УМЗЧ, в механические колебания излучателей, а следом и в звуковые колебания воздуха, воспринимаемые органами нашего слуха, а при высокой мощности - и остальными частями тела.
Как ни крути, а акустическая система - это ящик, собранный из механически прочного материала с вмонтированными в него динамиками. Ящик может быть выполнен в соответствии с одной из многочисленных конструкций, определяющих тип акустического оформления системы.

Рассмотрим основные разновидности этих конструкций:

1. Акустические системы открытого типа.

Качалось бы, что может быть проще, чем отбросить от ящика заднюю стенку, либо вообще - выкинуть к едреней фене все стенки, а динамики смонтировать на простом деревянном щите? Именно из этой простой идеи, собственно говоря, и зародились первые акустические системы, называемые системами открытого типа. Несмотря на кажущуюся архаичность решения, подобные колонки выпускаются как промышленно, так и делаются на коленках адептов качественного аудиофильского звука. Объясняется такой интерес полным отсутствием какой-либо компрессии с тыловой стороны диффузоров динамиков. Результат - крайне открытое и воздушное звучание акустики и реальное удовольствие при прослушивании практически любых музыкальных жанров, исключая современные танцевальные, где на первый план выходит не натуральность звучания, а необходимость наличия мощных компрессионных басов.

Помимо отсутствия жирных басов существенным недостатком открытой акустики является и крайне высокая цена промышленных изделий, и необходимость наличия большого помещения для правильной ориентации колонок по отношению к слушателю, а также возможности размещения их на изрядном расстоянии от стен.

Частным случаем открытых систем является акустика, построенная на электростатических излучателях, в которых вместо традиционных динамиков применяется натянутая во всю высоту акустической системы тончайшая плёнка из токопроводящего материала. За счёт малого веса излучателя подобные системы обладают рядом достоинств, основными из которых являются: повышенная детальность звукопередачи, а также филигранная способность отрабатывать даже самые резкие динамические перепады. Недостатком опять-таки является некоторая недостача низких частот.
Падение звукового давления при снижении частоты ниже значения резонансной частоты подвижной системы АС открытого типа составляет 12 дБ/окт.

2. Акустические системы закрытого типа (закрытый ящик).

Рассчитать и "сколотить" полностью закрытый и герметичный ящик - дело также не сильно мудрёное и трудозатратное. Как не странно, промышленный выпуск систем закрытого типа начался не только позже появления на свет акустики открытого типа, но также и позже распространения акустических систем с фазоинвертором на борту. Произошло это событие сразу после начала выпуска усилителей достаточной мощности и динамиков с низкой упругостью подвеса. Замкнутый объём воздуха внутри корпуса обладает некоторой упругостью, которая мешает свободному передвижению диффузора динамика и приводит к повышению резонансной частоты подвижной системы, что в свою очередь резко ухудшает воспроизведения частот ниже данного (резонансного) порога.

Лечится это либо увеличением внутреннего объёма изделия, либо повышением массы диффузора (для уменьшения частоты механического резонанса), что приводит к почти пропорциональному снижению чувствительности.
К неоспоримым достоинствам закрытой акустики можно отнести полное отсутствие каких-либо призвуков и фазовых огрехов, свойственных фазоинверторной акустике и акустическим лабиринтам. К недостаткам - либо довольно недетский размер колонок, либо отсутствие сверхглубоких басов при ограниченном объёме изделия.

Падение звукового давления данного типа АС при снижении частоты ниже значения резонансной частоты подвижной системы составляет 12 дБ/окт.

3. Панель акустического сопротивления.

Давно известная, но изрядно подзабытая панель акустического сопротивления (ПАС) несёт в себе достоинства как открытых, так и закрытых акустических систем, сочетая естественность звучания (без фазовых и переходных искажений) с простотой исполнения. Панель представляет собой множество отверстий 5...20 мм в диаметре на задней стенке корпуса громкоговорителя. Суммарная площадь отверстий - около 60...80% от эффективной площади диффузора НЧ динамика.

Поверх отверстий туго натягивается и приклеивается хлопчатобумажная (либо какая-либо ещё) ткань в один или два слоя.
Недостатком ПАС является спад звукового давления в области низких частот. Однако он не так велик, как у акустической системы закрытого типа и легко устраняется незначительным повышением мощностей усилителя и НЧ головки.
К сожалению, не существует чёткой теории по расчёту оптимальных параметров акустической системы с панелью ПАС, а в большинстве литературных источников говорится о необходимости экспериментального подбора всех параметров. Думаю, именно этот фактор обусловил в последнее время малое количество промышленных изделий с акустической панелью, оставив широкое поле для экспериментов пытливому радиолюбительскому сообществу.

Падение звукового давления АС при снижении частоты ниже значения резонансной частоты подвижной системы составляет 12 дБ/окт.

4. Акустические системы с фазоинвертором.

Фазоинвертор - это очередной способ обуздать избыток внутреннего давления внутри корпуса громкоговорителя и пустить его на благо увеличения отдачи на самых низких частотах. По своей сути фазоинвертор - это труба, выведенная концом наружу и уходящая внутрь корпуса колонки. Как и положено любой трубе, у неё есть собственная резонансная частота, зависящая от её геометрических размеров. Поэтому, когда динамик воспроизводит частоту на которую настроен фазоинвертор, объём воздуха в трубе резонирует, что приводит к весомому усилению воспроизведения этой частоты. Естественным образом, для корректной работы подобной системы частоту резонанса трубы следует выбирать ниже резонансной частоты НЧ динамика в ящике. Насколько ниже? В 1,5...1,6 раза.

Труба фазоинвертора может выходить: на лицевую панель, на заднюю или боковую панели. Однако, в наиболее дорогих и качественных акустических системах она, как правило, расположена именно с тыльной стороны конструкции.

Несмотря на популярность данного типа изделий, фазоинверторная акустика всегда проигрывает как закрытому, так и открытому ящику с точки зрения динамических параметров (скорости отработки быстрых сигналов), а также фазовых характеристик, обуславливающих детальность и чистоту звукопередачи.
Собственно говоря, плюс у фазоинверторных акустических систем всего один - повышенная отдача на низких частотах и возможность воспроизведения самых глубоких басов при относительной простоте и дешевизне конструкции.

Падение звукового давления данного типа АС при снижении частоты ниже значения резонансной частоты настройки фазоинвертора составляет 24 дБ/окт.

5. Акустические системы бандпасс или полосовой громкоговоритель.



Бандпасс или полосовой сабвуфер - это акустически нагруженное оформление, представляющее собой фазоинверторный ящик, разделённый внутри дополнительной стенкой (перегородкой) на две разные по объёму камеры.
Динамик размещается на перегородке между камерами, т.е. закопан внутри корпуса, что с одной стороны хорошо, так как исключает риск его повреждения, с другой - не являясь системой прямого излучения, АС имеет сложную зависимость параметров от взаимного влияния всех конструктивных элементов, что обуславливает повышенные требования к расчёту и тщательности изготовления акустики.
Акустические системы бандпасс не являются системами прямого излучения. В зависимости от конструкции и количества фазоинверторов существует 3 вида бандпассов: 4-го порядка (см. рисунок слева), 6-го порядка тип-а (рисунок посередине), 6-го порядка тип-б (рисунок справа).
КПД и способность эффективно воспроизводить самые низкие частоты у бандпасса значительно выше, чем у классического фазоинвертора. Однако, такие досадные мелочи, как узкополосность и весьма посредственное качество воспроизведения ограничивают область применения данного типа акустического оформления главным образом сабвуферными устройствами, используемыми в автотранспортном хозяйстве.
А разрекламированная фишка о том, что байпас сам по себе является резонансным устройством высокого порядка и не нуждается в традиционных ФНЧ - носит весьма сомнительный характер и не заслуживает какого-либо серьёзного доверия.
С точки зрения КПД на низких частотах, бандпасс 4-го порядка является самым эффективным, однако при этом и самым узкополосным среди остальных видов подобных устройств.
Устройства 6-го порядка за счёт наличия двух фазоинверторов, настроенных на разные частоты, имеют более широкую полосу воспроизводимых частот, но, соответственно, и более низкий КПД.

6. Акустические системы с пассивным излучателем.

Системы с пассивным излучателем являются одной из разновидностей акустики фазоинверторного типа и призваны обеспечить глубокое воспроизведение низких частот без чрезмерного увеличения размеров изделия. Смысл конструкции заключается в установке в закрытом ящике дополнительного низкочастотного динамика, у которого полностью отсутствует магнитная система. Т.е. он состоит только из диффузора, подвеса и рамы и, при этом - никуда не подключается. Пассивный излучатель приводится в движение колебаниями воздуха внутри акустической системы, которые порождаются обратной стороной активных НЧ динамиков и, по сути, является аналогом резонансной системы, образованной трубой фазоинвертора.

Обычно пассивный излучатель выбирается из соображений величины собственной резонансной частоты - несколько меньшей, чем у активного динамика. Поэтому он должен иметь либо больший диаметр, либо большую массу своей подвижной системы.
Достоинствами пассивного излучателя являются глубокий бас вплоть до самых низких частот и отсутствие посторонних призвуков свойственных некоторым не слишком удачно выполненным фазоинверторным решениям.

7. Акустические системы с лабиринтом.

Воспроизводящие системы с акустическим лабиринтом можно встретить не так уж часто и только в изделиях довольно серьёзного ценового уровня. Причина проста и лежит на поверхности - сложность конструкции, а также её расчёта и настройки. Хотя, на первый взгляд, всё кажется значительно проще, чем есть на самом деле. Звуковая волна, исходящая из тыльной части НЧ динамика, проходит через акустический лабиринт (волновод), протяжённостью в половину длины волны, на которой планируется добиться резонанса системы, и выходит из него уже в одной фазе с волной, излучаемой лицевой поверхностью динамика. Конструкция настраивается исходя из нижней границы частотного диапазона АС.

Для минимизации массогабаритов и стоимости изделия часто протяжённость лабиринта рассчитывается, не исходя из половины длины волны, а исходя из четверти.
Это несколько ухудшает свойства акустики, но всё же оставляет их предпочтительными по сравнению с фазоинверторными изделиями.
От фазоинвертора лабиринт отличается менее «резонансным» звучанием, кроме того, в данном случае динамик свободен от компрессии, повышающей резонансную частоту, т.к. его тыловое излучение встречает минимальное количество препятствий.
Всё это звучит весьма красиво, однако при малейших просчётах в разработке или изготовлении - в длинном и сложном по форме волноводе с большой вероятностью могут возникнуть стоячие волны со сложной структурой резонансов, что сведёт на нет все преимущества акустического лабиринта.

8. Рупорные акустические системы.

Наиболее востребованными рупорные системы стали в среде аудиофилов, находящихся в непрерывных поисках «божественного» звука. Рупорное акустическое оформление чаще используется в комбинации с другими типами (чаще для оформления высокочастотных излучателей), однако, существуют и широкополосные, полностью рупорные конструкции. В качестве аналога рупорной акустической системы рассмотрим боцмана, нарушающего тишину посредством жестяного рупорного матюгальника. Что тут можно заметить? При участии матюгальника была достигнута значительная громкость, повысившая КПД орущего, а также сформирована чёткая направленность его излучения.

К тому же, благодаря свойству рупора повышать сопротивление воздушной среды - достигается лучшее согласование этой среды с относительно высоким механическим сопротивлением подвижной системы динамика.
Итак, из плюсов рупорных акустических систем: высокая чувствительность и, соответственно, КПД, приличное музыкальное разрешение, направленные свойства.
Из минусов: конструктивная и технологическая сложность, своеобразное звучание, считающееся некоторыми аудиофилами достоинством, значительные размеры низкочастотных рупоров, ограничивающие целесообразность их использования концертными площадками и стадионами.

9. Акустические системы изобарического типа.

Акустическая система изобарического типа – ещё одна разновидность низкочастотного оформления, призванная обеспечить достойное воспроизведение басов в корпусе ограниченного объёма. Конструктивно ящик изобарической акустики разделён герметичной перегородкой на две (не всегда равные) части, в каждую из которых установлено по одному НЧ динамику так, что между ними находится постоянный неизменный объём воздуха. На оба динамика одновременно подаётся один и тот же сигнал. Другими словами - их можно включить параллельно, либо последовательно, либо подключить каждый из них к отдельному усилителю.

При подобном включении излучателей нагрузка на тыльную сторону диффузора внешнего динамика будет компенсироваться аналогичными колебаниями внешней стороны диффузора динамика внутреннего. Результат - удвоение (вернее - почти удвоение) мощности акустического излучения при неизменном объёме корпуса АС.
А если задуматься о том, что каждая одиночная головка в пределах допускаемых отклонений имеет свою, обусловленную технологией производства, неравномерность АЧХ, и частоты пиков и провалов на каждой из них не совпадают, то очевидно, что, благодаря взаимному демпфированию излучателей, суммарная АЧХ окажется значительно более гладкой.

10. Акустические системы со сдвоенными головками.

На самом деле, вся эта изобарика, описанная выше - не более чем красивое рекламное название давным-давно известного типа акустических систем со сдвоенными головками. Причём изначально сдвоенные головки располагались на одной панели, диффузорами навстречу друг к другу и, помимо всех преимуществ акустики изобарического типа, имели ещё одно существенное достоинство - меньшие по сравнению с одиночным излучателем нелинейные искажения. Нелинейные искажения уменьшаются из-за того, что при данном (встречном) соединении динамиков сдвоенная головка представляет собой сугубо симметричную электромеханическую систему. По этой причине - сопротивление воздушной среды с её обеих сторон практически одинаково, различия гибкости подвеса при движении диффузора вперёд и назад отсутствует. Наконец, асимметрия распределения магнитной индукции в зазоре магнитной системы, отрицательно влияющая на уровень второй гармоники, в сдвоенной головке при встречном расположении не проявляется.

Естественным образом, подключать головки к усилителю следует противофазно.

Исходя из сказанного, можно сделать вывод - данный тип акустики, с точки зрения качества звука, является более предпочтительным по отношению к системе изобарического типа.

11. Акустические системы смешанного типа.

Здесь всё просто как ситцевые трусы! Акустические системы смешанного типа - это АС, в которых для различных частотных поддиапазонов используются и разные типы акустического оформления. Казалось бы, на этом можно поставить точку, однако есть ещё в природе изделия, которые вызывают изумление не только за счёт космических цен, но и в связи с неземным совершенством оных. К числу таких относится обновлённая версия ВТОРЫХ (!!!) сверху в иерархии акустических систем американской фирмы Nola - Concert Grand Reference Gold 2 (см. фото). Приведу краткое описание колонок: Традиционно для акустики фирмы ВЧ-СЧ секция выполнена в открытом оформлении. Высокие частоты озвучивает ленточный излучатель длиной 12 дюймов, работающий от 1000 Гц, а на участке свыше 10000 Гц ему помогает небольшой ленточный супертвитер.

Набор среднечастотных динамиков в каждой колонке включает четыре драйвера с магнитами Alnico, которые закрывают диапазон от 400 до 1000 Гц.
Затем в работу включаются четыре небольших басовика с диффузорами из сплава магния и медными фазовыравнивающими кернами, они также имеют магнитную систему из сплава алюминия, никеля и кобальта.
Область ниже 40 Гц поручена двум 12-ти дюймовым вуферам, каждый из которых работает на свой собственный объем с фазоинвертором.
Вместе все динамики сводятся фирменным пятиполосным разделительным фильтром UnisonTM, собранным на шести отдельных платах.
Чувствительность систем составляет 91 дБ, номинальное сопротивление – 8 Ом, вес – 125 килограммов каждая.
Розничная цена Nola Concert Grand Reference Gold 2 в США заявлена на уровне 240 000 долларов за пару.